(57)【要約】【課題】光−電流変換効率を改善した高受光効率の半導体受光素子を提供する。【解決手段】  ｎ型基板１０１と、ｎ型基板１０１の裏面に設けられたプラス電極１０９と、ｎ型基板１０１の表面上に形成されたｎ型クラッド層１０４と、その上に形成された受光層１０６と、その上に形成されたノンドープ電流層１１０と、その上に形成されたｐ型クラッド層１０７と、その上に設けられたマイナス電極１０８とを備え、受光層１０６と電流層１１０の間にバリア層を設けずに、電流層１１０が受光層１０６上に直接に形成されていることを特徴とする半導体受光素子。【選択図】        図１
2005129683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶からなる第１導電型基板と、
前記第１導電型基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記第１導電型基板の表面上に形成された第１導電型クラッド層と、
第１導電型クラッド層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成された電流層と、
前記電流層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層の上に設けられた第２の電極と
を備え、
前記電流層は、前記受光層との間にバリア層を設けずに、前記受光層上に直接に形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記電流層と前記第２導電型クラッド層の間に形成された第２導電型コンタクト層をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記電流層と前記受光層とは、同一種類の半導体化合物により構成されており、
前記電流層を構成する半導体化合物の組成比は、前記受光層を構成する半導体化合物の組成比と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記同一種類の半導体化合物は、Ｉｎを含む半導体化合物であり、
前記電流層を構成するＩｎ組成比は、前記受光層を構成するＩｎの組成比と異なることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記基板が、ＩｎＰ基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記両クラッド層の屈折率は、前記受光層および前記電流層の屈折率よりも小さく、
前記電流層の屈折率は、前記受光層の屈折率よりも小さい
ことを特徴とする１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
第１導電型基板と、
前記第１導電型基板の表面上に形成された反射層と、
前記反射層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成された受光層と、
前記受光層の上に形成された第２のクラッド層と
を備え、
前記反射層および前記第１導電型クラッド層は、前記第１導電型基板の表面上に成長させた第１導電型半導体層に、イオン注入法により金属化合物を注入して形成されたものであることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項８】
前記受光層と前記第２導電型クラッド層の間に形成された電流層をさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記基板が、ＧａＮ基板,ＳｉＣ基板，Ｓｉ基板，ＧａＡｓ基板，ＧａＡｌＮ基板，ＡｌＮ基板のいずれかにであることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
前記反射層が、Ａｌ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ、またその化合物であることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体光受光素子。
【請求項１１】
前記両クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記受光層および前記電流層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、
前記電流層のバンドギャップエネルギーは、前記受光層のバンドギャップエネルギーよりも小さい
ことを特徴とする請求項１、２、８のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１２】
前記電流層と前記受光層とのバンドギャップエネルギーの差は、０．３［ｅＶ］未満であることを特徴とする請求項１、２、８のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１３】
前記第１のクラッド層、前記受光層、前記電流層、前記第２のクラッド層は、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、または量子ドット構造のいずれかによって構成されていることを特徴とする請求項１、２、７、８のいずれかに記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導電セル、ｐｎ接合フォトダイオード、ヘテロ接合ＦＥＴ型受光素子、ヘテロ接合型バイポーラ型フォトトランジスタ等の半導体受光素子に関し、特に、放熱性が良く、吸収ロスの少ない、高出力な４元系化合物半導体紫外受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰを用いた４元系化合物半導体受光素子が量産されるようになっている。このような半導体受光素子では、上記４元系化合物半導体の混晶比を変化させることにより、０．９〜３．４［μｍ］まで波長を調整することができる。
【０００３】
図５は受光層がＩｎＧａＡｓからなる従来の４元系化合物半導体受光素子の基本的な構成を示す図である。この図５の半導体受光素子は、ｐ型のＩｎＰ基板３０７上に、ｉ（intrinsic）型のＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓからなる受光層３０６、ｎ型のＩｎＰからなるクラッド層３０４、ｎ型のＩｎ０．４７Ｇａ０．６３Ａｓからなるコンタクト層３０２を順次形成し、さらにｎ型コンタクト層３０２上にプラス電極３０９を設け、ｐ型ＩｎＰ基板３０７の裏面にマイナス電極３０８を設けたものである。
【０００４】
上記構成において、ｐ型基板３０７の屈折率は３．４５、ｉ型受光層３０６の屈折率は３．５６、ｎ型クラッド層３０４の屈折率は３．４５、ｎ型コンタクト層３０２の屈折率は３．５６である。
【０００５】
図５において、マイナス電極３０８の下方から入射した光３００は、ｐ型ＩｎＰ基板３０７、ｉ型受光層３０６、ｎ型クラッド層３０４、ｎ型コンタクト層３０２に入り、プラス電極３０９で反射して、ｎ型コンタクト層３０２、ｎ型クラッド層３０４を通り、再び受光層３０６に入る。ｐ型ＩｎＰ基板３０７は屈折率が受光層３０６より小さいため、光は反射して受光層３０６に吸収される。
【０００６】
さらに、近年、ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等を用いた窒化ガリウム系化合物半導体紫外受光素子が量産されるようになっている。このような半導体受光素子では、上記窒化ガリウム系化合物半導体の混晶比を変化させることにより、紫外領域から赤外領域まで受光帯域を調整することができる。
【０００７】
図６は受光層がＧａＮからなる従来の窒化ガリウム系化合物半導体紫外受光素子の基本的な構成を示す図である。この図６の紫外ｐｎ接合型フォトダイオードは、サファイア基板５０１上に、ＧａＮからなるバッファー層５１１、ＳｉＯ２からなるマスク層５１２、ｎ型のＧａＮからなるコンタクト層５０２、ｎ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層５０４、ｉ型のＧａＮからなる受光層５０６、ｐ型のＧａＡｌＮからなるクラッド層５０７を順次形成し、ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層５０７上に透明電極５１３を設け、この透明電極５１３の上にｐ電極５０８を設け、ｎ型コンタクト層５０２上にｎ電極５０９を設けたものである。
【０００８】
図６において、サファイア基板５０１上に、バッファー層５１１のみならず、ＳｉＯ２からなるマスク層５１２が形成されているのは、サファイア基板５０１上に直接、コンタクト層５０２や受光層５０６等のＧａＮ層を形成すると、六角形状のモファロジーが強く現れてしまい、結晶欠陥が多くなり、結晶性を向上させるためである。また、電子と正孔の再結合を効率よく行わせ、受光効率を上げるために、バンドギャップエネルギーの大きい材料からなるクラッド層５０４，５０７により、受光層５０６が挟み込まれたダブルへテロ構造となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記図５の従来の半導体発光素子では、マイナス電極３０８の下方から入射し、ｐ型ＩｎＰ基板３０７、受光層３０６、ｎ型クラッド層３０４、ｎ型コンタクト層３０２に入り、プラス電極３０９により反射して、ｎ型コンタクト層３０２、ｎ型クラッド層３０４を通って受光層３０６に入るため、途中での吸収、プラス電極３０９により反射して外にでてしまう成分もあり、従来は光−電流変換効率が１［Ｗ］の光を当てて、０．５５〜０．６［Ａ］の受光電流が最大であった。
【００１０】
また、上記図６の従来の半導体発光素子では、ＧａＮバッファー層５１１およびｎ型ＧａＮコンタクト層５０２が、紫外光に対して不透明なため、光吸収層となり、受光効率が低下する問題があった。これを避けるため、サファイア基板５０１の上に直接、透明なｎ型ＧａＡｌＮクラッド層５０４を形成することが考えられる。しかし、この場合、ｎ型クラッド層５０４はその厚さを１〜５［μｍ］程度とするが、表面が荒れてしまい、この上に形成するｉ型ＧａＮ受光層５０６、ｐ型クラッド層５０７によって形成された受光領域の結晶性が低下するという問題があった。このため、紫外光よりも長波長のスペクトルにも反応するため、紫外光の受光効率が低下する問題があった。
【００１１】
さらに、上記図６の従来の半導体発光素子では、ｐ型クラッド層５０７上に透明電極５１３を形成後、この透明電極５１３上に基板を貼り付け、サファイア基板５０１を剥離し、ｎ型ＧａＮバッファー層５１１およびｎ型ＧａＮコンタクト層５０２を研磨して削除し、残った受光層とクラッド層で受光素子を形成するという、材料ロスが多く、工数のかかる方法がとられていた。
【００１２】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、例えば１［Ｗ］の光を当てて１．０［Ａ］の受光電流が得られるように、光−電流変換効率を改善した高受光効率の半導体受光素子を提供することを目的とする。さらには、光吸収が少なく、成長層上の表面が荒れることがなく、結晶性のよい受光層の成長ができ、放熱性に優れ、格子不整合が少ない半導体受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の第１の半導体受光素子は、
半導体単結晶からなる第１導電型基板と、
前記第１導電型基板の裏面に設けられた第１の電極と、
前記第１導電型基板の表面上に形成された第１導電型クラッド層と、
第１導電型クラッド層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成された電流層と、
前記電流層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層の上に設けられた第２の電極と
を備え、
前記電流層は、前記受光層との間にバリア層を設けずに、前記受光層上に直接に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の半導体受光素子は、
第１導電型基板と、
前記第１導電型基板の表面上に形成された反射層と、
前記反射層上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成された受光層と、
前記受光層の上に形成された第２のクラッド層と
を備え、
前記反射層および前記第１導電型クラッド層は、前記第１導電型基板の表面上に成長させた第１導電型半導体層に、イオン注入法により金属化合物を注入して形成されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体受光素子によれば、従来の２倍以上の光−電流変換効率を実現することができるので、例えば高品質の光ファイバーを敷設しなくても、既存の光ファイバー網でさらに遠い所にブロードバンドネットワークを安価に形成できるという効果がある。さらに、本発明の第３の半導体受光素子によれば、高受光効率で、かつ光吸収がなく、成長層表面の荒れをなくし、結晶性のよい受光層の成長させ、放熱性を改善し、格子不整合を少くできるので、高出力で、チップサイズが小さく、１ワイヤーボンドで組立可能な半導体受光素子を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１である４元系化合物半導体受光素子の基本的な構成を示す図である。
【００１７】
図１において、実施の形態１の受光素子は、基板１０１と、ｎ型クラッド層１０４と、受光層１０６と、電流層１１０と、ｐ型クラッド層１０７と、マイナス電極１０８と、マイナス電極１０９とを備えた構成である。
［基板１０１，ｎ型クラッド層１０４，受光層１０６，電流層１１０，ｐ型クラッド層１０７］
基板１０１は、ｎ型のＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）からなり、１．３５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する。このｎ型基板１０１の表面上には、ｎ−ＩｎＰからなり、１．３５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１０４が形成されている。ｎ型クラッド層１０４の表面上には、ｉ（intrinsic）型のＩｎＧａＡｓ（例えばＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ）からなり、例えば０．７５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する受光層１０６が形成されている。ｉ型受光層１０６の表面上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓ（例えばＩｎ０．６８Ｇａ０．３２Ａｓ）からなり、例えば０．７［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する電流層１１０が形成されている。ノンドープ電流層１１０の表面上には、ｐ型のＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）からなり、１．３５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層１０７が形成されている。
【００１８】
ｎ型クラッド層１０４、受光層１０６、電流層１１０、ｐ型クラッド層１０７は、有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により順次積層されている。
［マイナス電極１０８，プラス電極１０９］
ｐ型クラッド層１０７の表面上には、Ａｕからなるマイナス電極１０８が形成されており、基板１０１の裏面には、Ａｕからなるプラス電極１０９が形成されている。
【００１９】
上記構成において、ｎ型基板１０１の屈折率３．４５、ｎ型クラッド層１０４の屈折率は３．４５、ｉ型受光層１０６の屈折率は３．５６、電流層１１０の屈折率は３．５４、ｐ型クラッド層１０７の屈折率は３．４５である。
【００２０】
この実施の形態１の受光素子は、光学的構造面に関して、電流層１１０の屈折率が受光層１０６より小さいため、この電流層１１０が光拡散層として働く。また、電流層１１０の屈折率が、ｐ型クラッド層１０７のＩｎＰより大きく、受光層１０６より小さいため、光がマイナス電極１０８側から入射したとき、内部で多重反射することにより、電流層１１０が入射光の光閉じ込め層として働く。このとき、電流層１１０においては電子と正孔の有効な再結合が行われないため、電流層１１０が受光層として働くことはない。
【００２１】
また、この実施の形態１の受光素子は、電気的特性面に関して、ｎ型基板１０１，ｎ型クラッド層１０４，受光層１０６，ｐ型クラッド層１０７，電流層１１０の内で、電流層１１０のバンドギャップエネルギーが最も小さいため、この電流層１１０が電流集中層として働く。また、電流層１１０と受光層１０６間にはバリア層は設けられていないため、電気回路的には電流層１１０と受光層１０６は並列になり、受光層１０６のバンドギャップエネルギーに最も小さい電流層１１０のバンドギャップエネルギーが加わるため、受光層１０６の動作電圧を下げることができる。また、電流層１１０は、受光層１０６の上にあって受光層１０６よりもバンドギャップエネルギーが小さいため、受光層１０６で発生する電流の電流拡散層として働き、その結果、受光層１０６の動作電圧をさらに下げることができる。
［実施の形態１の光学構造面］
この実施の形態１の受光素子の光学的構造面について、以下に詳細に説明する。図１の実施の形態１の受光素子において、マイナス電極１０８の上方から入射した光は、ｐ型クラッド層１０７の屈折率（３．４５）がその下の電流層１１０の屈折率（３．５４）よりも小さく、電流層１１０の屈折率（３．５４）がその下の受光層１０６の屈折率（３．５６）より小さいため、ｐ型クラッド１０７および電流層１１０を通って受光層１０６に入るが、受光層１０６の屈折率（３．５６）はその下のｎ型クラッド層１０４の屈折率（３．４５）よりも大きいため、ｎ型クラッド層１０４で全反射して再び受光層１０６に入る。従って、電流層１１０は光拡散層として働く。
【００２２】
また、電流層１１０の屈折率（３．５４）は、ｐ型クラッド層１０７の屈折率（３．４５）よりも大きく、受光層１０６の屈折率（３．５６）よりも小さいため、受光層１０６からの光は、電流層１１０で全反射して再び受光層１０６に入る。電流層１１０での全反射およびｎ型クラッド層１０４での全反射を繰り返すことにより、光は受光層１０６にロスなく吸収される。このように、マイナス電極１０８の上方から入射した光は、受光層１０６を挟んだ電流層１１０、ｎ型クラッド層１０４間で多重反射するため、電流層１１０は入射光の光閉じ込め層として働く。
【００２３】
この実施の形態１では、受光層１０６（屈折率３．５６）と電流層１１０（屈折率３．５４）の屈折率の差が小さいため、受光層１０６による受光は、電流層１１０に広がるとともに、受光層１０６に閉じ込められる。従って、電流層１１０は受光層１０６の光ガイド層として作用する。
［実施の形態１の電気的特性面］
この実施の形態１の受光素子の電気的特性面について、以下に詳細に説明する。図１の実施の形態１の受光素子において、マイナス電極１０８の側から紫外光が入射したとき、マイナス電極１０８とプラス電極１０９の間の印加電圧（駆動電圧）を、受光層１０６のバンドギャップエネルギー０．７５［ｅＶ］まで除々に印加電圧を上げていくと、ｎ型クラッド層１０４（バンドギャップエネルギー１．３５［ｅＶ］），受光層１０６（バンドギャップエネルギー０．７５［ｅＶ］），電流層１１０（バンドギャップエネルギー０．７０［ｅＶ］），ｐ型クラッド層１０７（バンドギャップエネルギー１．３５［ｅＶ］）の内で、電流層１１０のバンドギャップエネルギーが最も小さいため、電子は電流層１１０の伝導帯に流れ込み、正孔は電流層１１０の価電子帯に流れ込む。
【００２４】
電流層１１０は、バンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、受光層１０６で発生した電流は、受光層１０６に接する電流層１１０に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、受光層１０６で発生した電流が電流層１１０に無駄なく流れるようになるため、この電流層１１０に接して形成されている受光層１０６の電流密度が低下する。従って、駆動電圧を、受光層１０６のバンドギャップエネルギー（０．７５［ｅＶ］）に相当する電圧よりも低減することができるようになる。その結果、電流層１１０のみならず、受光層１０６の価電子帯にも正孔がさらに流れ込むことになり、受光層１０６の伝導帯にも電子が流れ込むことになる。
【００２５】
受光層１０６および電流層１１０の伝導帯に流れ込んだ電子は、プラス電極１０９の方へ引っ張られるが、電流層１１０から見てｎ側に形成されている受光層１０６のバンドギャップエネルギー（０．７５［ｅＶ］）は電流層１１０のバンドギャップエネルギー（０．７［ｅＶ］）と比較して０．０５［ｅＶ］しか大きくないため、受光層１０６は電流層１１０のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することができず、その結果、電流層１１０の伝導帯内に流れ込んだ電子は、受光層１０６の伝導帯内に流れ込み、電流層１１０の伝導帯内には閉じ込められない。
【００２６】
受光層１０６の伝導帯内に流れ込んだ電子は、プラス電極１０９の方へと引っ張られるが、受光層１０６のｎ側に形成されたｎ型クラッド層１０４のバンドギャップエネルギー（１．３５［ｅＶ］）は受光層１０６のバンドギャップエネルギー（０．７［ｅＶ］）よりも十分に大きいため、このｎクラッド層１０４がキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用し、その結果、電子は受光層１０６の伝導帯内に閉じ込められる。
【００２７】
一方、電流層１１０の価電子帯に流れ込んだ正孔は、マイナス電極１０８の方へと引っぱられるが、電流層１１０から見てｐ側に形成されているｐ型クラッド層１０７のバンドギャップエネルギー（１．３５［ｅＶ］）は電流層１１０のバンドギャップエネルギー（０．７［ｅＶ］）よりも十分に大きいため、ｐ型クラッド層１０７はキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用し、その結果、電流層１１０の価電子帯内に流れ込んだ正孔および受光層１０６の価電子帯内に流れ込んだ正孔は、それぞれの価電子帯内に閉じ込められる。
【００２８】
このように、電流層１１０の伝導帯には電子は閉じ込められていないため、電流層１１０では電子と正孔の有効な再結合が行われず、電流層１１０は受光層としては働かないが、受光層１０６の伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が閉じ込められているため、紫外光（例えば、波長３６５ｎｍ）を受光したとき、受光層１０６において電子と正孔の有効な再結合が行われ、受光電流が流れる。
【００２９】
この実施の形態１では、受光層１０６が受光したとき、電流層１１０はバンドギャップエネルギーが最も小さい（０．７［ｅＶ］）ため、受光層１０６が受光したことにより発生する電流は、受光層１０６に接する電流層１１０に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、受光層１０６で発生した電流が電流層１１０に無駄なく流れるようになるため、この電流層に接して形成されている受光層１０６の電流密度を下げることになり、動作電圧の低減が実現される。
【００３０】
また、この実施の形態１では、受光層１０６と電流層１１０の間にバリア層を設けることなく、これら受光層１０６と電流層１１０が直接接する構成となっており、電気回路的には受光層１０６と電流層１１０は並列になり、受光層１０６のバンドギャップエネルギーに最も小さい電流層１１０のバンドギャップエネルギーが加わるため、発光層１０６の駆動電圧を下げることができる。
【００３１】
また、この実施の形態１では、受光層１０６はバンドギャップエネルギーの大きなｎ型クラッド層１０４とｐ型クラッド層１０７により挟まれているため、受光層１０６と電流層１１０の内でより大きいバンドギャップエネルギーを有する受光層１０６のバンドギャップエネルギー（０．７５［ｅＶ］）に相当する電圧を、両電極１０８，１０９間に印加しさえすれば、受光層１０６により紫外光の受光が可能になり、従来の受光素子よりも低い駆動電圧での受光が可能になる。
【００３２】
また、この実施の形態１では、受光層１０６よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層１１０を受光層１０６の表面層に設け、受光層１０６で発生した電流を電流層１１０に集中させる構成としているため、受光層１０６に直接電流が集中するのを防止することができるとともに、電流層１１０は受光層とならないため、受光層１０６の寿命改善を図ることができる。
【００３３】
以上のように実施の形態１によれば、電流層１１０が、光拡散層、光閉じ込め層として働き、光学的構造面で光−電流変換効率を上げるとともに、電流集中層、駆動電圧の低減層、電流拡散層として働き電気的特性面の電流による働きにより光−電流変換効率を上げるため、これらの光学的構造面および電気的特性面の電流効果により、従来の２倍以上の光−電流変換効率を達成することができる。
実施の形態２
図２は本発明の実施の形態２である４元系化合物半導体受光素子の基本的な構成を示す図である。なお、図２において、上記図１と同様のものについては同じ符号を付してある。
【００３４】
図２において、実施の形態２の受光素子は、基板１０１と、ｎ型クラッド層１０４と、受光層１０６と、電流層１１０と、ｐ型コンタクト層１１１と、ｐ型クラッド層１０７と、マイナス電極１０８と、マイナス電極１０９とを備えた構成である。
【００３５】
基板１０１は、ｎ型のＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）からなり、１．３５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する。このｎ型基板１０１の表面上には、ｎ−ＩｎＰからなり、１．３５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層１０４が形成されている。ｎ型クラッド層１０４の表面上には、ｉ（intrinsic）型のＩｎＧａＡｓ（例えばＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ）からなり、例えば０．７５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する受光層１０６が形成されている。ｉ型受光層１０６の表面上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓ（例えばＩｎ０．６８Ｇａ０．３２Ａｓ）からなり、例えば０．７［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する電流層１１０が形成されている。
［ｐ型コンタクト層１１１］
ｉ型受光層１０６の表面上には、ノンドープのＩｎＧａＡｓ（例えばＩｎ０．６８Ｇａ０．３２Ａｓ）からなり、例えば０．７［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する電流層１１０が形成されている。ノンドープ電流層１１０の表面上には、ｐ型のＩｎＧａＰ（例えばＩｎ０．７３Ｇａ０．２７Ｐ）からなり、例えば１．６１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するコンタクト層１１１が形成されている。コンタクト層１１１の表面上には、ｐ−ＩｎＰからなり、１．３５［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層１０７が形成されている。
【００３６】
ｎ型クラッド層１０４、受光層１０６、電流層１１０、ｐ型コンタクト層１１１、ｐ型クラッド層１０７は、ＭＯＣＶＤ法等により順次積層されている。
【００３７】
上記構成において、ｎ型基板１０１の屈折率３．４５、ｎ型クラッド層１０４の屈折率は３．４５，ｉ型受光層１０６の屈折率は３．５６、電流層１１０の屈折率は３．５４、ｐ型クラッド層１０７の屈折率は３．４５、ｐ型コンタクト層１１１の屈折率は３．３である。
【００３８】
この実施の形態２の受光素子は、ｐ型コンタクト層１１１（屈折率３．３）の働きにより、屈折率をｐ型クラッド層１０７（屈折率３．４５）よりもさらに下げ、かつマイナス電極１０８とのコンタクト抵抗をさらに下げるとともに、上記実施の形態１で説明したように電流層１１０の働きにより光−電流変換効率を従来の約２倍以上に改善するものである。
【００３９】
ｐ型のクラッド層１０７よりも屈折率が小さいｐ型コンタクト層１１１を設けることにより、マイナス電極１０８の上部から電流層１１０および受光層１０６を通って受光層１０６に、より強い光を入射させることができる。この強い光が受光層１０６の下のｎ型クラッド層１０４を突き抜けようとしても、ｎ型クラッド層１０４により光は全反射し、ｎ型クラッド層１０４から受光層１０６に戻るため、さらに光−電流変換効率を改善できる。
【００４０】
以上のように実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、電流層１１０が、光拡散層、光閉じ込め層として働き、光学的構造面で光−電流変換効率を上げるとともに、電流集中層、駆動電圧の低減層、電流拡散層として働き電気的特性面の電流による働きにより光−電流変換効率を上げるため、これらの光学的構造面および電気的特性面の電流効果により、従来の２倍以上の光−電流変換効率を達成することができる。さらにｐ型コンタクト層１１１（屈折率３．３）を設けたことにより、屈折率をｐ型クラッド層１０７（屈折率３．４５）よりもさらに下げることができる。
【００４１】
このような上記実施の形態１，２の半導体受光素子では、ｎ型の基板１０１の上にはｎ型クラッド層１０４が形成され、ｎ型のクラッド層１０４の上にはｉ型受光層１０６が形成され、ｉ型受光層１０６の上にはバンドギャップエネルギーが最も小さいノンドープ電流層１１０が形成され、電流層１１０の上にはｐ型のクラッド層１０７が形成されており、電流層１１０とｉ型受光層１０６間にはバリア層は設けられておらず、電流層１１０による光学的構造面および電気的特性面での電流改善効果により、従来の２倍以上の光−電流変換効率を実現することができる。
【００４２】
電流層１１０は、光学的構造面に関して、
（１）受光層１０６より屈折率が小さいため、光拡散層として働き、
（２）屈折率がｐ型クラッド層１０７より大きく、マイナス電極１０８側から光が流れ込み受光層１０６より屈折率が小さいため、光閉じ込め層として働き、
（３）電子と正孔の有効な再結合が行われないため、受光層として働くことはない。
【００４３】
上記（１）〜（３）により、光学的構造面で従来よりも光−電流変換効率を上げることができる。
【００４４】
さらに、電流層１１０は、電気的特性面の電流に対して、
（１）バンドギャップエネルギーが最も小さいため、電流集中層として働き、
（２）受光層１０６との間にバリア層が設けられていないため、電気回路的には受光層１０６と並列になり、受光層１０６のバンドギャップエネルギーに最も小さい電流層１１０のバンドギャップエネルギーが加わることになるため、受光層１０６の受光動作電圧を下げることができ、
（３）受光層１０６の上にあって受光層１０６よりバンドギャップエネルギーが小さいため、受光層１０６で発生する電流の電流拡散層として働く。
【００４５】
上記（１）〜（３）により、受光層１０６の動作電圧をさらに下げることができ、電気的特性面でも、従来よりも光−電流変換効率を上げることができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態１，２では、ｎ型基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０４，受光層１０６，受光層１０６，電流層１１０を積層形成した構成において、ｎ型基板１０１およびｎ型クラッド層１０４のバンドギャップエネルギーを受光層１０６および電流層１１０のバンドギャップエネルギーよりも大きくし、電流層１１０のバンドギャップエネルギーを受光層１０６のバンドギャップエネルギーよりも小さくすることにより、受光層１０６の電流閉じ込め層および電流集中層、電流拡散層を形成できる。
【００４７】
また、上記実施の形態１，２では、電流層１１０のバンドギャップエネルギーと、受光層１０６のバンドギャップエネルギーの差を０．３［ｅＶ］未満に設定し、電流層１１０が受光層とならないようにして、受光層１０６の光−電流変換効率を改善する。
【００４８】
また、上記実施の形態１，２では、電流層１１０と受光層１０６は同一種類の半導体化合物により構成されており、電流層１１０を構成する半導体化合物の組成比と、受光層１０６を構成する半導体化合物の組成比とを変えることにより、容易に形成できるため、生産性が良い。
【００４９】
また、上記実施の形態１，２において、上記同一種類の半導体化合物は、Ｉｎを含む半導体であり、電流層１１０を構成するＩｎ組成比と、受光層１０６のＩｎ組成比とを変えることにより、容易に形成できるため、生産性が良い。
実施の形態３
図３は本発明の実施の形態３である紫外光受光素子の基本的な構成を示す図である。
【００５０】
図３において、実施の形態３の受光素子は、基板２０１と、コンタクト層２０２と、ｎ型クラッド層２０４と、受光層２０６と、ｐ型クラッド層２０７と、マイナス電極２０８と、マイナス電極２０９とを備えた構成である。コンタクト層２０２は、反射層２０３およびｎ型クラッド層２０４によって構成されている。
［基板２０１，コンタクト層２０２（反射層２０３，ｎ型クラッド層２０４）］
基板２０１は、ｎ型のＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）からなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する。このｎ型基板２０１の表面上には、ｎ−ＧａＮからなるコンタクト層２０２（３〜５［μｍ］）が有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により形成されている。
【００５１】
このｎ−ＧａＮからなるコンタクト層２０２には、イオン注入法によりＡｌを基板１０１と平行になるように注入して、反射層２０３（１〜２［μｍ］）が形成されている。具体的には、注入物質であるＡｌを含むソーズガスをアーク放電によりプラズマ化させた後、質量分析器により注入物質イオンを分離し、このイオンをコンタクト層２０２に加速電圧１２０〜２００［ｋｅＶ］で打ち込み、注入エネルギーにより不純物分布の深さを０．０８〜０．１２６［μｍ］、イオン電流により添加不純物量（ドーズ量）を２×１０２０〜２×１０２１［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］以上にそれぞれ制御し、注入したイオンを加熱により活性化させる。
【００５２】
さらに、反射層２０３の上層のコンタクト層２０２には、イオン注入法にて、Ａｌを加速電圧１０〜１２０［ｋｅＶ］で打ち込み、注入エネルギーにより不純物分布の深さを０〜０．０８［μｍ］、イオン電流により添加不純物（ドーズ量）を２×１０１５［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］にそれぞれ制御し、注入したイオンを加熱により活性化して、ｎ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層２０４が形成されている。
［ｎ型クラッド層２０５，発光層２０６，ｐ型クラッド層２０７］
ｎ型クラッド層２０４の表面上には、さらにｎ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層２０５が形成されている。ｎ型クラッド層２０５の表面上には、ｉ型のＧａＮ（ｉ−ＧａＮ）からなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有し、紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を受光する受光層２０６が形成されている。受光層２０６の表面上には、ｐ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層２０７が形成されている。
【００５３】
ここで、ｎ型クラッド層２０５と受光層２０６との距離、およびｐ型クラッド層２０７と発光層２０６との距離は、それぞれ２０〜７０［Å］に構成されている。ｎ型クラッド層２０５、受光層２０６、ｐ型クラッド層２０７は、ＭＯＣＶＤ法等にて順次形成されている。
［マイナス電極２０８，プラス電極２０９］
ｐ型クラッド層２０７の表面上には、Ａｕからなるマイナス電極２０８が形成されており、基板２０１の裏面には、Ａｌからなるプラス電極２０９が形成されている。ここで、マイナス電極２０８、プラス電極２０９は、スパッタリング法等により、マイナス電極２０８についてはｐ型クラッド層２０７の表面上にＡｕからなる金属層を、プラス電極２０９についてはｎ型ＧａＮ基板２０１の裏面上にＡｌからなる金属層を、それぞれ形成したものである。
【００５４】
上記構成において、受光層２０６の屈折率は２．６７、ｎ型クラッド層２０５の屈折率は２．５７、ｐ型クラッド層２０７の屈折率は２．５７である。
【００５５】
この実施の形態３の受光素子は、基板２０１と受光層２０６とを同じ熱膨張率を有するＧａＮで構成したことを特徴とする。
【００５６】
この実施の形態３の受光素子では、基板２０１と受光層２０６とに、熱膨張率が５．５９×１０−６［／Ｋ］である同じＧａＮを用いることにより、熱膨張率差による歪み、クラック等の問題を解消できる。
【００５７】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０２は、ｎ−ＧａＮ基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法等により形成されるため、格子不整合はなく、成長層の表面が荒れることもなく、結晶性のよい成長ができる。また、ｎ型のＧａＡｌＮ（ｎ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層２０４は、反射層２０３の上層のｎ−ＧａＮコンタクト層２０２に、イオン注入法にてＡｌを注入することにより形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。また、受光層２０６は、上記ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０５を介して形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。
【００５８】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０２にイオン注入法でＡｌを基板２０１と平行になるように注入することにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２の下層に形成された反射層１０３は、上層の受光層２０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を反射し、ｎ−ＧａＮ基板２０１が上記紫外光を吸収することを防止する。また、受光層２０６の上層のｐ型のＧａＡｌＮ（ｐ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層１０７、および受光層２０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４，２０５は、紫外光に対して透明であるため、受光層２０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を吸収しない。従って、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層２０７の表面上に形成されたマイナス電極２０８、ｎ−ＧａＮ基板２０１の裏面に形成されたプラス電極２０９に、受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧を印加したとき、受光層２０６より受光された紫外光は、受光層２０６の下層のＡｌ反射層２０３により上方に反射されて下方のｎ−ＧａＮ基板２０１で吸収されることはなく、受光層２０６の上層のｐ−ＧａＡｌＮクラッド層２０７および受光層２０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４，２０５で吸収されることもない。
【００５９】
また、ＧａＮ基板２０１の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］であり、Ｓｉの熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、ＡｌＮの熱伝導率は２８５［Ｗ／ｍＫ］、サファイア基板の熱伝導率は約３８［Ｗ／ｍＫ］、ＧａＰの熱伝導率は１１０［Ｗ／ｍＫ］，ＧａＡｓの熱伝導率は４４［Ｗ／ｍＫ］である。従って、ＧａＮ基板２０１の熱伝導率は、Ｓｉ，ＡｌＮ等よりは劣るが、サファイア基板の３．４倍であり、ＧａＰ，ＧａＡｓよりも優れている。
。
【００６０】
以上のように実施の形態３によれば、従来よりも、光吸収が少なく、成長層上の表面が荒れることが少ない、結晶性のよい受光層２０６の成長ができるとともに、放熱性に優れ、受光効率が高く、格子不整合の少なく、チップサイズが小さく、１ワイヤーボンドで組み立て可能な紫外光受光素子を提供できる。
【００６１】
また、従来のように結晶成長後、他の基板を貼り付け、サファイア基板を剥離し、バッファー層、ｎ型コンタクト層を研磨で削除する必要はなく、ｎ型ＧａＮ基板を結晶成長後もそのまま使用できるので、材料ロスのなく、作業工数の少ない経済的な紫外光受光素子を提供できる。
実施の形態４
図４は本発明の実施の形態４である紫外光受光素子の基本的な構成を示す図である。なお、図４において、上記図３と同様のものについては同じ符号を付してある。
【００６２】
図４において、実施の形態４の受光素子は、基板２０１と、コンタクト層２０２と、ｎ型クラッド層２０４と、受光層２０６と、電流層２１０と、ｐ型クラッド層２０７と、マイナス電極２０８と、マイナス電極２０９とを備えた構成である。コンタクト層２０２は、反射層２０３およびｎ型クラッド層２０４によって構成されている。
［電流層２１０］
ｎ型クラッド層２０５の表面上には、ｉ型のＧａＮ（ｉ−ＧａＮ）からなり、３．３９［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有し、紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を受光する受光層２０６が形成されている。受光層２０６の表面上には、ＩｎＧａＮ（例えばＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ）からなり、例えば３．３６［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有する電流層２１０が形成されている。電流層２１０の表面上には、ｐ型のＧａＡｌＮ（例えばＧａ０．７４Ａｌ０．２６Ｎ）からなり、例えば４．１［ｅＶ］のバンドギャップエネルギーを有するｐ型クラッド層２０７が形成されている。
【００６３】
ここで、ｎ型クラッド層２０５と受光層２０６との距離、受光層２０６と電流層２１０との距離、電流層２１０とｐ型クラッド層２０７との距離は、それぞれ２０〜７０［Å］に構成されている。ｎ型クラッド層２０５、受光層２０６、電流層２１０、ｐ型クラッド層２０７は、ＭＯＣＶＤ法等にて順次形成されている。
【００６４】
上記構成において、受光層２０６の屈折率は２．６７、ｎ型のクラッド層２０５の屈折率は２．５７、電流層２１０の屈折率は２．６８、ｐ型のクラッド層２０７は屈折率２．５７である。
【００６５】
この実施の形態４の受光素子は、基板２０１と受光層２０６とを同じ熱膨張率を有するＧａＮで構成するとともに、受光層２０６の上に設けた電流層２１０が電流集中層として作用することを特徴とする。
【００６６】
この実施の形態４の受光素子では、基板２０１と受光層２０６とに、熱膨張率が５．５９×１０−６［／Ｋ］である同じＧａＮを用いることにより、熱膨張率差による歪み、クラック等の問題を解消できる。
【００６７】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０２は、ｎ−ＧａＮ基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法等により形成されるため、格子不整合はなく、成長層の表面が荒れることもなく、結晶性のよい成長ができる。また、ｎ型のＧａＡｌＮ（ｎ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層２０４は、反射層２０３の上層のｎ−ＧａＮコンタクト層２０２に、イオン注入法にてＡｌを注入することにより形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。また、受光層２０６は、上記ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４上に、ＭＯＣＶＤ法等により、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０５を介して形成されるため、格子不整合は少なく、成長層上の表面が荒れることも少なく、結晶性のよい成長ができる。
【００６８】
また、ｎ−ＧａＮコンタクト層２０２にイオン注入法でＡｌを基板２０１と平行になるように注入することにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０２の下層に形成された反射層１０３は、上層の受光層２０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を反射し、ｎ−ＧａＮ基板２０１が上記紫外光を吸収することを防止する。また、受光層２０６の上層のｐ型のＧａＡｌＮ（ｐ−ＧａＡｌＮ）からなるクラッド層１０７、および受光層２０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４，２０５は、紫外光に対して透明であるため、受光層２０６からの紫外光（波長３６５［ｎｍ］）を吸収しない。従って、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層２０７の表面上に形成されたマイナス電極２０８、ｎ−ＧａＮ基板２０１の裏面に形成されたプラス電極２０９に、受光層２０６のバンドギャップエネルギー３．３９［ｅＶ］の印加電圧を加えたとき、受光層２０６より受光された紫外光は、受光層２０６の下層のＡｌ反射層２０３により上方に反射されて下方のｎ−ＧａＮ基板２０１で吸収されることはなく、受光層２０６の上層のｐ−ＧａＡｌＮクラッド層２０７および受光層２０６の下層のｎ−ＧａＡｌＮクラッド層２０４，２０５で吸収されることもない。
【００６９】
また、ＧａＮ基板２０１の熱伝導率は１３０［Ｗ／ｍＫ］であり、Ｓｉの熱伝導率は１５１［Ｗ／ｍＫ］、ＡｌＮの熱伝導率は２８５［Ｗ／ｍＫ］、サファイア基板の熱伝導率は約３８［Ｗ／ｍＫ］、ＧａＰの熱伝導率は１１０［Ｗ／ｍＫ］，ＧａＡｓの熱伝導率は４４［Ｗ／ｍＫ］である。従って、ＧａＮ基板２０１の熱伝導率は、Ｓｉ，ＡｌＮ等よりは劣るが、サファイア基板の３．４倍であり、ＧａＰ，ＧａＡｓよりも優れている。
。
【００７０】
この実施の形態４では、受光層２０６（屈折率２．６７）と電流層２１０（屈折率２．６８）の屈折率の差が小さいため、受光層２０６による受光は、電流層２１０に広がるとともに、受光層２０６に閉じ込められることになる。従って、電流層２１０は受光層２０６の光ガイド層として作用する。
【００７１】
従来のｐｎ接合型紫外光フォトダイオードでは、通常ｎ型層中の電子密度がｐ型層中の正孔密度より高く、ｐｎ接合を逆方向にバイアスすると、ｎ型層中に注入される電子の数がｐ型層中に注入される正孔の数より多くなってしまうため、受光が主として効率の悪いｎ型層中で発生してしまい、紫外光受光フォトダイオードの受光効率を高くできないという問題があった。
【００７２】
これに対し、この実施の形態４の紫外光受光素子においては、電流層２１０の働きにより、電子が閉じ込められ、ｎ型層中に注入されないため、受光が効率の悪いｎ型層中で発生してしまうことがない。そして、電流層２１０が電流集中層として働くため、駆動電圧を低減し、紫外光受光素子の受光効率を上げ、高出力化できる。
【００７３】
図４の実施の形態４の紫外光受光素子において、紫外光が入射したとき、マイナス電極２０８とプラス電極２０９の間の印加電圧（駆動電圧）を、受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧まで除々に上げていくと、ｎ型クラッド層２０５（バンドギャップエネルギー４．１［ｅＶ］），受光層２０６（バンドギャップエネルギー３．３９［ｅＶ］），電流層２１０（バンドギャップエネルギー３．３６［ｅＶ］），ｐ型クラッド層２０７（バンドギャップエネルギー４．１［ｅＶ］）の内で、電流層２１０のバンドギャップエネルギーが最も小さいため、電子は電流層２１０の伝導帯に流れ込み、正孔は電流層２１０の価電子帯に流れ込む。
【００７４】
電流層２１０は、バンドギャップエネルギーが最も小さい層であるため、受光層２０６で発生した電流は、受光層２０６に接する電流層２１０に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、受光層２０６で発生した電流が電流層２１０に無駄なく流れるようになるため、この電流層２１０に接して形成されている受光層２０６の電流密度が低下する。従って、駆動電圧を、受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧よりも低減することができる。その結果、電流層２１０のみならず、受光層２０６の価電子帯にも正孔がさらに流れ込むことになり、受光層２０６の伝導帯にも電子が流れ込むことになる。
【００７５】
受光層２０６の伝導帯に流れ込んだ電子は、プラス電極２０９の方へ引っ張られるが、電流層２１０から見てｎ側に形成されている受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）は電流層２１０のバンドギャップエネルギー（３．３６［ｅＶ］）と比較して０．０３［ｅＶ］しか大きくないため、受光層２０６は電流層２１０のキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用することができず、その結果、電流層２１０の伝導帯内に流れ込んだ電子は、発光層２０６の伝導帯内に流れ込み、電流層２１０の伝導帯内には閉じ込められない。
【００７６】
受光層２０６の伝導帯に流れ込んだ電子は、プラス電極２０９の方へ引っ張られるが、受光層２０６のｎ側に形成されているｎ型クラッド層２０４のバンドギャップエネルギー（４．１［ｅＶ］）は受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）および電流層２１０のバンドギャップエネルギー（３．３６［ｅＶ］）よりも十分に大きいため、このｎ型クラッド層２０４がキャリア（ここでは電子）閉じ込め層として作用し、その結果、電子は、受光層２０６の伝導帯内に閉じ込められる。
【００７７】
一方、受光層２０６および電流層２１０の価電子帯に流れ込んだ正孔は、マイナス電極２０８の方へと引っ張られるが、電流層２１０から見てｐ側に形成されているｐ型クラッド層２０７のバンドギャップエネルギー（４．１［ｅＶ］）は受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）および電流層２１０のバンドギャップエネルギー（３．３６［ｅＶ］）よりも十分に大きいため、このｐ型クラッド層２０７がキャリア（ここでは正孔）閉じ込め層として作用し、その結果、電流層２１０の価電子帯内に流れ込んだ正孔および受光層２０６の価電子帯内に流れ込んだ正孔は、それぞれの価電子帯内に閉じ込められる。
【００７８】
このように、電流層２１０の伝導帯には電子は閉じ込められていないため、電流層２１０では電子と正孔の有効な再結合が行われず、電流層２１０は受光層としては働かないが、受光層２０６の伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が閉じ込められているため、受光層２０６において紫外光（例えば、波長３６５［ｎｍ］）を受光し、電子と正孔の有効な再結合が行われ、受光電流が流れる。
【００７９】
この実施の形態４では、受光層２０６が受光したとき、電流層２１０はバンドギャップエネルギーが最も小さい（３．３６［ｅＶ］）ため、受光層２０６が受光したことにより発生する電流は、受光層２０６に接する電流層２１０に集中して流れようとする（電流集中作用）。従って、受光層２０６で発生した電流が電流層２１０に無駄なく流れるようになるため、この電流層２１０に接して形成されている受光層２０６の電流密度を下げることになり、動作電圧の低減が実現される。
【００８０】
また、この実施の形態４では、受光層２０６と電流層２１０の間にバリア層を設けることなく、これら受光層２０６と電流層２１０が直接接する構成となっており、電気回路的には受光層２０６と電流層２１０は並列になり、受光層２０６のバンドギャップエネルギーに最も小さい電流層２１０のバンドギャップエネルギーが加わるため、発光層２０６の駆動電圧を下げることができる。
【００８１】
また、この実施の形態４では、受光層２０６はバンドギャップエネルギーの大きなｎ型クラッド層２０４とｐ型クラッド層２０７により挟まれているため、受光層２０６と電流層２１０の内でより大きいバンドギャップエネルギーを有する受光層２０６のバンドギャップエネルギー（３．３９［ｅＶ］）に相当する電圧を、両電極２０８，２０９間に印加しさえすれば、受光層２０６により紫外光の受光が可能になり、従来の受光素子よりも低い駆動電圧での受光が可能になる。
【００８２】
また、この実施の形態４では、受光層２０６よりバンドギャップエネルギーの小さい電流層２１０を受光層２０６の表面層に設け、受光層２０６で発生した電流を電流層２１０に集中させる構成としているため、受光層２０６に直接電流が集中するのを防止することができるとともに、電流層２１０は受光層とならないため、受光層２０６の寿命改善を図ることができる。
【００８３】
以上のように実施の形態４によれば、上記実施の形態３と同様に、従来よりも、光吸収が少なく、成長層上の表面が荒れることが少ない、結晶性のよい受光層２０６の成長ができるとともに、放熱性に優れ、受光効率が高く、格子不整合の少なく、チップサイズが小さく、１ワイヤーボンドで組み立て可能な紫外光受光素子を提供できる。
【００８４】
また、上記実施の形態３と同様に、従来のように結晶成長後、他の基板を貼り付け、サファイア基板を剥離し、バッファー層、ｎ型コンタクト層を研磨で削除する必要はなく、ｎ型ＧａＮ基板を結晶成長後もそのまま使用できるので、材料ロスのなく、作業工数の少ない経済的な紫外光受光素子を提供できる。
【００８５】
さらに、電流層２１０が、光拡散層、光閉じ込め層として働き、光学的構造面で光−電流変換効率を上げるとともに、電流集中層、駆動電圧の低減層、電流拡散層として働き電気的特性面の電流による働きにより光−電流変換効率を上げるため、従来の２倍以上の光−電流変換効率を達成することができる。
【００８６】
なお、上記実施の形態４では、受光層２０６と電流層２１０のバンドギャップエネルギーの差を０．０３［ｅＶ］としたが、このバンドギャップエネルギーの差は、電流層２１０において受光が起こらない範囲、つまり受光層２０６が電流層２１０のキャリア閉じ込め層として作用しない０．３［ｅＶ］未満となるように適宜設定することができる。上記実施の形態４では、電流層２１０を構成する半導体化合物の組成をＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎとしたが、受光層２０６と電流層２１０のバンドギャップエネルギーの差が０．３［ｅＶ］未満となる範囲で、電流層２１０を構成するＩｎＧａＮの組成比を変えることにより、駆動電圧を制御することができるため、結果として、受光層２０６による光の受光感度を制御することができる。
【００８７】
なお、本発明は、上記実施の形態１〜４に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づく種々の変形をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。
【００８８】
例えば、上記実施の形態１，２では、４元系化合物半導体受光素子について説明したが、他の半導体材料、ＩｎＧａＡｓＰのＰの一部または全部をＡｌおよび／またはＮ等で置換した材料についても本発明を適用できる。同様に、上記実施の形態３，４では、ＧａＮ受光層を用いた半導体受光素子について説明したが、他の半導体材料、例えば、ＩｎＧａＮ，ＧａＡｌＮの一部または全部をＡｓおよび／またはＰ等で置換した材料や、Ｇｅ，Ｓｉ，ＣｄＳｅ系化合物半導体を用いた半導体受光素子についても本発明を適用できる。
【００８９】
また、上記実施の形態１〜４では、受光素子の構造を説明するために、便宜上、基板が下層に配置し、これを結晶層が上方に積み重ねた構造とし、上側をマイナス電極、下層側をプラス電極として説明したが、下層側をマイナス電極、上層側をプラス電極とした結晶構成としてもよい。
【００９０】
また、上記実施の形態１，２では、マイナス電極をＡｕにより形成されているとしたが、Ａｌにより形成してもよい。また、上記実施の形態３，４では、マイナス電極をＡｌにより形成されているとしたが、Ａｕにより形成してもよい。
【００９１】
また、上記実施の形態１〜４では、ダブルヘテロ構造について説明したが、クラッド層、受光層、電流層を、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、多重量子構造の超格子、または量子ドット構造のいずれかによって構成しても、受光層の光吸収率を上げ、光−電流変換効率を改善できる。
【００９２】
また、上記実施の形態３，４では、半導体受光素子としてｐｎ接合型フォトダイオードを用いて説明したが、例えば、光導電セル、さらにヘテロ接合ＦＥＴ型受光素子、ヘテロ接合バイポーラ型フォトトランジスタに電流層を加える構造としても良い。
【００９３】
また、上記実施の形態３，４では、基板をｎ型のＧａＮ基板としたが、例えばＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＡｌＮ基板、ＡｌＮ基板等、格子間の整合性や熱膨張率を考慮して、基板を適宜選択することもできる。
【００９４】
また、上記実施の形態３，４では、ｎ型クラッド層２０４の上にｎ型クラッド層２０５を形成したが、直接ｎ型クラッド層２０４の上に受光層２０６を形成してもよい。
【００９５】
また、上記実施の形態３，４では、反射層としてＡｌ層を説明したが、例えばＩｎ，Ａｕ，Ａｇ、またその化合物を用いた構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の実施の形態１である半導体受光素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２である半導体受光素子の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３である半導体受光素子の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４である半導体受光素子の構成を示す図である。
【図５】従来の半導体受光素子の構成を示す図である。
【図６】従来の他の半導体受光素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０１，２０１  ｎ型基板
１０４，２０４，２０５  ｎ型クラッド層
１０６，２０６  ｉ型受光層
１１０，２１０  電流層
１０７，２０７  ｐ型クラッド層
１１１  ｐ型コンタクト層
１０８，２０８  マイナス電極
１０９，２０９  プラス電極
２０２  ｎ型コンタクト層
２０３  反射層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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